专利名称：一种准分子激光微细加工大视场像方远心直写投影物镜的制作方法
技术领域：
本实用新型为一种准分子激光微细加工大视场像方远心直写投影物镜，它是一种 将投射在掩模板上的准分子激光投影成像在被加工工件上进行直写的光学物镜，主要应用 于准分子激光掩模直写投影微细加工，属于激光微细加工及其应用技术领域。
背景技术：
准分子激光微细加工的工件外形尺寸一般在几百微米至几十毫米之间，工件内部 结构尺寸一般在几百纳米至几十微米之间，并且对工件外形尺寸和工件内部结构尺寸的精 度要求都很高，一般为几十纳米至几微米之间，因此，对于准分子激光微细加工掩模直写投 影成像系统来说，其中的投影成像物镜必须具有接近衍射极限的成像质量、达到几十纳米 至几微米的分辨率和接近于零的畸变率。同时，为了保证微细加工的效果，并提高准分子激 光的能量利用率，投影成像系统要求物镜的透过率接近于100%，这就要求投影成像物镜具 有较为简单的结构，通常要求镜片个数越少越好，一般要求为6-8片，最佳要求为3-5片。同 时由于准分子激光的单色性及特殊波长048nm)，它的投影成像物镜不需要校正色差，但可 用的透镜材料只有熔石英一种。因此，准分子激光微细加工用的投影成像物镜，需要合理选 择物镜各个方面的参数，包括投影成像倍率、光圈数、视场、后截距等等，来矫正各种单色像 差。目前，在准分子激光微细加工中，所使用的投影成像物镜在设计时，仅仅考虑轴上 主光线在像方视场的垂直入射加工面的要求，没有考虑离轴主光线在像方视场的垂直入射 加工面的要求，更没有考虑准分子激光发散角度的大小对主光线垂直入射加工面的影响， 使得实际应用中，投影成像物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于 上表面图形向光轴外略微偏移的情况。当上表面和下表面间的距离愈大时，这一向光轴外 侧偏离的情况愈明显。当加工点愈远离光轴时，这一向光轴外侧偏离的情况愈明显。如图1 所示。为了克服这一不足，出现了用于准分子激光微细加工的像方远心直写投影成像物镜， 该物镜在达到准分子激光微细加工用直写投影成像物镜各项指标要求的前提下，在投影成 像物镜设计时，考虑入射掩模的准分子激光发散角度对掩模后主光线角度的影响，并在投 影成像物镜中引入像方远心结构，从而克服准分子激光微细加工用常规直写投影成像物镜 的不足，使该物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向 光轴外略微偏移的情况得到明显改善。如图2所示。然而，该投影成像物镜的视场范围较 小，通常为Φ 5mm至Φ 20mm，能够满足准分子激光微细加工在中小视场范围内的应用要求， 并不能够满足准分子激光微细加工在大视场范围内的应用要求，不适用于大视场范围内的 准分子激光微细加工，加工效率相对较低。
发明内容本实用新型的目的在于在达到准分子激光微细加工用直写投影成像物镜各项指 标要求、保持加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向光轴外略微偏移的情况得到明显改善的前提下，在准分子激光微细加工用的像方远心直写投影 成像物镜中，在光阑附近引入一片凹透镜，从而扩大投影成像物镜的视场范围，使使用本实 用新型设计的投影成像物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上 表面图形向光轴外略微偏移的情况得到明显改善，并且能够适用于大视场范围的准分子激 光微细加工，提高准分子激光微细加工的效率。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。该直写投影成像物镜包括 第一部分、第二部分和光阑。所述的第一部分包括第一透镜，第一透镜为双凸的透镜结构形 式，所述的第二部分包括从左到右依次放置的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和 第六透镜，所述的第二透镜采用双凹的透镜结构形式，所述的第三透镜采用左凹右凸的透 镜结构形式，所述的第四透镜采用左凸右凹的透镜结构形式，所述的第五透镜采用双凸的 透镜结构形式，所述的第六透镜采用双凸的透镜结构形式，光阑放置在第一透镜和第二透 镜之间，靠近第二透镜。发散角度为θ的准分子激光经整形处理后照射在掩模上，通过设定归一化视场 主光线发散角为对应的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，来消除准分子激光经掩模 后主光线发散角度的实际值与理论设计值的差异。轴上视场主光线16依次经过第一部分中的第一透镜第一面2、第一透镜第二面3 后，与轴外视场主光线交于光轴1上一点，该点亦为光阑14所在位置，而后依次通过第二部 分的第二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透镜第一面6、第三透镜第二面7、第四透镜 第一面8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、第五透镜第二面11，第六透镜第一面12， 第六透镜第二面13后，垂直入射工件加工上表面。轴外视场主光线17与光轴1成一角度15发散，设定该角度的数值为对应归一化 视场的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，轴外视场主光线依次经过第一部分中的第 一透镜第一面2、第一透镜第二面3后，与轴上视场主光线交于光轴1上一点，该点亦为光 阑14所在位置，而后依次通过第二部分的第二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透镜 第一面6、第三透镜第二面7、第四透镜第一面8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、第 五透镜第二面11，第六透镜第一面12，第六透镜第二面13后，垂直入射工件加工上表面；其 中，第二透镜在光路中对轴外视场主光线进行发散，扩大轴外视场主光线间的夹角，从而扩 大使用本实用新型设计的投影成像物镜的物方视场范围，提高准分子激光微细加工效率。各视场边缘光线依次经过第一部分中的第一透镜第一面2、第一透镜第二面3、第 二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透镜第一面6、第三透镜第二面7、第四透镜第一面 8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、第五透镜第二面11，第六透镜第一面12，第六透 镜第二面13后，与各自视场的主光线相交于工件加工上表面；其中，第二透镜在光路中对 各视场边缘光线进行发散，扩大各视场边缘光线间的夹角，从而扩大使用本实用新型设计 的投影成像物镜的物方视场范围，提高准分子激光微细加工效率。本实用新型中，物方视场与像方视场成缩小比例；物方视场范围内，除轴上主光线 外，所有主光线以设定角度入射投影物面；像方视场范围内，所有主光线垂直入射成像像 面；使用本实用新型加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形 向光轴外略微偏移的情况得到明显改善，如图2所示，并且，使用本实用新型设计的投影成 像物镜的物方视场范围得到扩大，从而提高准分子激光微细加工的效率。[0011]本实用新型在投影成像物镜设计时，考虑准分子激光投射在掩模上以后，准分子 激光发散角度对掩模后光线能量分布情况的影响，并根据影响情况，设置离轴主光线的角 度；在投影成像物镜中引入像方远心结构，从而使离轴主光线在像方视场垂直于加工面入 射，克服准分子激光微细加工用常规直写物镜的不足，使使用本实用新型设计的投影成像 物镜加工出的工件在离轴加工区域出现工件下表面图形相对于上表面图形向光轴外略微 偏移的情况得到明显改善；通过在投影成像物镜中引入一片凹透镜，对轴外视场主光线和 各视场边缘光线进行发散，扩大轴外视场主光线间的夹角，同时扩大各视场边缘光线间的 夹角，使使用本实用新型设计的投影成像物镜的物方视场范围得到扩大，可以达到Φ30πιπι 至Φ 60mm，从而提高准分子激光微细加工的效率。
图1未采用本实用新型加工工件效果示意图图2采用像方远心直写投影成像物镜的加工工件效果示意图图3本实用新型投影成像物镜第一部分结构图图4本实用新型投影成像物镜第二部分结构图图5本实用新型投影成像物镜结构图图6本实用新型投影透镜场曲曲线图(单位微米)图7本实用新型投影透镜畸变曲线图(单位百分比)图中1、光轴；2、第一透镜第一面；3、第一透镜第二面；4、第二透镜第一面；5、第 二透镜第二面；6、第三透镜第一面；7、第三透镜第二面；8、第四透镜第一面；9、第四透镜第 二面；10、第五透镜第一面；11、第五透镜第二面；12、第六透镜第一面；13、第六透镜第二 面；14、光澜；15、轴外视场主光线发散角；16、轴上视场主光线；17、轴外视场主光线；18、轴 上视场边缘光线；19、离轴视场边缘光线。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明本实施例包括第一部分、第二部分和光阑，第一部分由一片熔石英透镜构成，采用 了双凸的透镜结构形式，如图3所示。第二部分从左到右依次由五片熔石英透镜构成，分别 为第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，第二透镜采用双凹的透镜结构形 式，第三透镜采用左凹右凸的透镜结构形式，第四透镜采用左凸右凹的透镜结构形式，第五 透镜采用双凸的透镜结构形式，第六透镜采用双凸的透镜结构形式，如图4所示。光阑放置 在第一透镜和第二透镜之间，靠近第二透镜。轴上视场主光线16依次经过直写投影透镜中第一部分的第一透镜第一面2、第一 透镜第二面3后，与轴外视场主光线交于光轴1上一点，该点亦为光阑14所在位置，而后依 次通过第二部分的第二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透镜第一面6、第三透镜第二 面7、第四透镜第一面8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、第五透镜第二面11、第六透 镜第一面12、第六透镜第二面13后，垂直入射工件加工上表面。轴外视场主光线17与光轴1成一角度15发散，轴外归一化0. 5视场的主光线发 散角设定为0.5ΧΘ。，轴外归一化0.707视场的主光线发散角设定为0.707X θ °，轴外归一化1视场的主光线发散角为θ°，轴外视场主光线依次经过直写投影物镜中第一部分 的第一透镜第一面2、第一透镜第二面3后，与轴上视场主光线交于光轴1上一点，该点亦为 光阑14所在位置，而后依次通过第二部分的第二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透 镜第一面6、第三透镜第二面7、第四透镜第一面8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、 第五透镜第二面11、第六透镜第一面12、第六透镜第二面13后，垂直入射工件加工上表面。各视场(轴上视场和轴外视场)边缘光线18、19依次经过直写投影透镜第一部分 中的第一透镜第一面2、第一透镜第二面3、第二透镜第一面4、第二透镜第二面5、第三透镜 第一面6、第三透镜第二面7、第四透镜第一面8、第四透镜第二面9、第五透镜第一面10、第 五透镜第二面11、第六透镜第一面12、第六透镜第二面13，与各自视场的主光线相交于工 件加工上表面。根据上述各视场主光线、边缘光线入射直写投影物镜各个部分的关系，利用PW算 法对光学系统各参数进行数值求解，在求解过程中通过设定第一部分为薄透镜、第二部分 为薄透镜组合、掩模与第一部分间的距离和光阑与第一部分间的距离近似相等，第二透镜 与光阑距离较近，对数值求解过程进行简化，得到直写投影透镜的结构初始值，如表1所 示，表1中的面数编号与图5中的标号对应，将初始值带入光线追迹类的光学设计优化软件 (如ZEMAX、Code V、0SL0、S0D88等)进行优化，最终得到光学系统各个参数，如表2所示， 表2中的面数编号与图5中的标号对应。最终得到的直写投影物镜场曲曲线图如图5所示，畸变曲线图如图6所示，赛德尔 系数表如表3所示，表3中的面数编号与图5中的标号对应。表1直写投影物镜结构初始值
权利要求1. 一种准分子激光微细加工用的像方远心直写投影成像物镜，其特征在于包括第一 部分、第二部分和光阑，所述的第一部分包括第一透镜，第一透镜为双凸的透镜结构形式， 所述的第二部分包括从左到右依次放置的第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六 透镜，所述的第二透镜采用双凹的透镜结构形式，所述的第三透镜采用左凹右凸的透镜结 构形式，所述的第四透镜采用左凸右凹的透镜结构形式，所述的第五透镜采用双凸的透镜 结构形式，所述的第六透镜采用双凸的透镜结构形式，光阑放置在第一透镜和第二透镜之 间，靠近第二透镜；发散角度为θ的准分子激光经整形处理后照射在掩模上，通过设定归一化视场主光 线发散角为对应的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，来消除准分子激光经掩模后主 光线发散角度的实际值与理论设计值的差异；轴上视场主光线(16)依次经过第一部分中的第一透镜第一面O)、第一透镜第二面 (3)后，与轴外视场主光线交于光轴(1)上一点，该点亦为光阑(14)所在位置，而后依次通 过第二部分的第二透镜第一面G)、第二透镜第二面(5)、第三透镜第一面(6)、第三透镜第 二面(7)、第四透镜第一面(8)、第四透镜第二面(9)、第五透镜第一面(10)、第五透镜第二 面(11)，第六透镜第一面(12)，第六透镜第二面(1 后，垂直入射工件加工上表面；轴外视场主光线(17)与光轴(1)成一角度(1 发散，设定该角度的数值为对应归一 化视场的归一化因子乘以准分子激光发散角度θ，轴外视场主光线依次经过第一部分中的 第一透镜第一面O)、第一透镜第二面C3)后，与轴上视场主光线交于光轴(1)上一点，该点 亦为光阑(14)所在位置，而后依次通过第二部分的第二透镜第一面G)、第二透镜第二面 (5)、第三透镜第一面(6)、第三透镜第二面(7)、第四透镜第一面(8)、第四透镜第二面(9)、 第五透镜第一面(10)、第五透镜第二面(11)，第六透镜第一面(12)，第六透镜第二面(13) 后，垂直入射工件加工上表面；各视场边缘光线依次经过第一部分中的第一透镜第一面O)、第一透镜第二面(3)、第 二透镜第一面(4)、第二透镜第二面( 、第三透镜第一面(6)、第三透镜第二面(7)、第四透 镜第一面(8)、第四透镜第二面(9)、第五透镜第一面(10)、第五透镜第二面(11)，第六透镜 第一面(12)，第六透镜第二面(1 后，与各自视场的主光线相交于工件加工上表面。
专利摘要本实用新型公开了一种准分子激光微细加工用的像方远心直写投影成像物镜，属于激光微细加工及其应用技术领域。物方视场范围内，除轴上主光线，所有主光线以一定角度入射投影物面；像方视场范围内，所有主光线垂直入射成像像面。结构为两部分第一部分由一片双凸透镜构成。第二部分由五片透镜构成第一片为双凹透镜，第二片为左凹右凸透镜，第三片为左凸右凹透镜，第四片为双凸的透镜，第五片为双凸透镜，两部分之间放置光栅。本实用新型改善了直写投影成像物镜造成的被加工工件加工下表面图形相对于上表面图形向光轴外侧偏离的情况，通过第二部分第二片透镜对入射光线发散作用，扩大投影成像物镜的物方视场范围，提高了准分子激光微细加工效率。
文档编号G02B13/22GK201903689SQ201020535668
公开日2011年7月20日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者左铁钏, 王桐, 陈涛 申请人:北京工业大学